Аналіз технології заземлення трансформаторів на будівельних площадках

На даний момент Китай досяг певних досягнень у цій галузі. Відповідна література розробила типові конфігураційні схеми захисту від заземлювальних вад у низьковольтних системах електропостачання атомних електростанцій. На основі аналізу випадків, коли заземлювальні вади у низьковольтних системах електропостачання атомних електростанцій спричинили невірну роботу нуль-послідовного захисту трансформатора, були виявлені підляжні причини. Більше того, на основі цих типових конфігураційних схем були запропоновані пропозиції щодо покращення заходів захисту від заземлювальних вад у допоміжних системах живлення атомних електростанцій.

Відповідна література вивчила закономірності зміни диференціального струму та струму обмеження, і через розрахунок співвідношення між диференціальним струмом та струмом обмеження, проведено кількісний аналіз адаптивності розподілу диференціального захисту головного трансформатора при таких вадах.

Однак, зазначені методи все ще стикаються з численними проблемами, які терміново потребують вирішення. Наприклад, надмірне опору заземлення, неправильний вибір методів заземлення та недостатність заходів захисту від від блискавок — всі ці питання можуть призвести до виходу трансформаторів з ладу та навіть спричинити аварії. Тому необхідно проводити більш глибокі дослідження та аналіз технологій заземлення трансформаторів на будівельних площинах, враховуючи найновіші наукові досягнення та технологічні розвитки.

За допомогою цього дослідження не тільки можна підвищити теоретичний рівень технологій заземлення трансформаторів, але й надати практичні та реалістичні рішення та заходи для реальних будівельних проектів. Сподівається, що це дослідження зможе привернути більше уваги та акцентування з боку науковців на технологіях заземлення трансформаторів на будівельних площинах, спільно сприяючи розвитку цієї галузі.

1 Визначення методів заземлення трансформаторів

Традиційний метод прямого заземлення нейтральної точки трансформатора може при певних умовах призводити до надмірних короткозамкнення струмів, що може пошкодити обладнання. Тому пропонується метод заземлення нейтральної точки з низькою опору. Заземлення нейтральної точки з низькою опору — це ефективний підхід до заземлення трансформатора, який забезпечує ефективний контроль струму заземлення трансформатора шляхом підключення низької опору між нейтральною точкою трансформатора та землею. Цей метод заземлення може не тільки регулювати величину струму заземлення та зменшувати вплив блискавок та перевищень напруги на трансформатори, таким чином покращуючи стабільність роботи, але також обмежувати короткозамкненні струми та зменшувати ризик пошкодження обладнання.

Зокрема, при впровадженні заземлення нейтральної точки з низькою опору для трансформаторів на будівельних площинах, першим кроком є визначення відповідного значення опору заземлення. За законом Ома, значення опору заземлення обернено пропорційне струму заземлення та напруги заземлення. Тому при виборі значення опору заземлення для методу заземлення нейтральної точки з низькою опору, спочатку потрібно визначити значення опору, формула розрахунку якого така:

У формулі R₀ представляє значення опору заземлювача; U₀ представляє середню номінальну напругу електричної системи на будівництві; I₀ представляє струм, що проходить через опору нейтральної точки. За результатами розрахунку за формулою (1), повинно бути вибрано відповідне значення опору заземлення, яке може ефективно обмежити короткозамкненні струми, але не матиме надмірного впливу на трансформатор.

Наступним є визначення параметрів, таких як поперечне сечение та матеріал заземлювального проводника. Матеріал заземлювального проводника також повинен мати відмінну провідність та корозійну стійкість, щоб забезпечити його тривалість та надійність. У цьому дослідженні комплексно враховано фактичні умови заземлення трансформаторів на будівельних площинах, і вибрано олов'янний мідний дріт як заземлювальний провідник — матеріал з хорошою провідністю, зручним монтажем та високою стійкістю до корозії, що повністю відповідає вимогам методу заземлення нейтральної точки з низькою опору.

Поперечне сечение заземлювального проводника безпосередньо впливає на його опір, що, в свою чергу, впливає на струм заземлення. Тому вибирається відповідне поперечне сечение заземлювального проводника на основі наступної формули:

У формулі S представляє поперечне сечение заземлювального проводника в методі заземлення нейтральної точки з низькою опору; η представляє коефіцієнт співвідношення між опору заземлення нейтральної точки та опору заземлення трансформатора; T представляє допустимий температурний підйом заземлювального проводника. Нарешті, повинна бути визначена глибина закладання заземлювача. Для забезпечення стабільної роботи заземлювача в складних умовах, його глибина закладання повинна перевищувати товщину замерзлого шару на будівництві, що в повному обсязі гарантує надійність та безпеку системи заземлення.

Отже, при впровадженні заземлення трансформаторів на будівельних площинах, використовується метод заземлення нейтральної точки з низькою опору, з розумними налаштуваннями параметрів заземлення, включаючи значення опору, поперечне сечение заземлювального проводника, вибір матеріалу та глибину закладання заземлювача, що забезпечує міцну основу для стабільної роботи трансформатора під час будівництва.

2 Розробка схеми захисту заземлення трансформатора

Відповідно до вищезазначеного, на будівельних майданчиках для захисту заземлення трансформаторів використовується метод заземлення нейтральної точки через низький опір. Цей метод головним чином ефективно контролює струм заземлення трансформатора за допомогою низького опору. Під час роботи трансформатора можуть виникнути різні аварії, найпоширенішою з яких є однофазні аварії заземлення. Однофазна аварія заземлення означає коротке замкнення між однією фазовою обмоткою трансформатора і землею, при цьому інші дві фази продовжують працювати нормально. Ця аварія викликає зміни потенціалу нейтральної точки трансформатора, що призводить до невідповідності трьохфазного струму. Використовуючи цю характеристику, пропонується схема захисту, базуючись на невідповідності трьохфазного струму у трансформаторах:

Першим є перший розділ захисту нульового послідовного струму, формула розрахунку якого така:

У формулі I₁ представляє значення робочого струму нульового послідовного захисту трансформаторів на будівельних майданчиках; γ₁ представляє коефіцієнт надійності; γ₂ представляє коефіцієнт нульового послідовного розгалуження; I₂ представляє значення робочого струму нульового послідовного захисту суміжних компонентів трансформаторів на будівельних майданчиках. Після розрахунку значення струму для першого розділу нульового послідовного захисту за формулою (3), час роботи захисту першого розділу зазвичай встановлюється близько на 0,5 секунди довше, ніж час роботи наступного рівня нульового послідовного захисту.

Наступним є другий розділ нульового послідовного захисту. Формула розрахунку його захисного струму така сама, як і для першого розділу нульового послідовного захисту, тобто захисний струм отримується також за формулою (3), але час роботи відрізняється, потребуючи збільшення на близько 0,3 секунди відносно часу роботи першого розділу нульового послідовного захисту.

Останнім є захист нульового послідовного напруги. Загалом враховуючи, що під час однофазних аварій заземлення трансформаторів на будівельних майданчиках, нейтральна точка може втратити свою внутрішню чутливість, робоча напруга захисту нульового послідовного напруги повинна бути нижче максимальної нульового послідовного напруги, яка з'являється в пункті встановлення захисту під час однофазних аварій заземлення. Значення захисної напруги нульового послідовного напруги в основному визначається за наступною формулою:

У формулі U₁ представляє робочу напругу захисту нульового послідовного напруги; U₂ представляє номінальну напругу трьох вторинних обмоток.

Загалом, для формування повної схеми захисту від невідповідності трьохфазного струму, потрібні комплексні розрахунки, включаючи формули розрахунку для першого розділу нульового послідовного, другого розділу нульового послідовного і захисту нульового послідовного напруги. Виведення і застосування цих формул допоможуть більш точно визначити тип і важкість однофазних аварій заземлення на будівельних майданчиках. Ця система захисту не тільки швидко локалізує і ізольує аварії заземлення, але й зменшує ймовірність відключення електроенергії, спричинених аваріями заземлення. Окрім того, поєднуючи це з методом заземлення нейтральної точки через низький опір, формується комплексна структура захисту заземлення трансформаторів на будівельних майданчиках, що забезпечує надійний захист безпечної роботи трансформаторів.

3 Експериментальний аналіз

Для перевірки ефективності вищезазначеного технологічного захисту заземлення трансформаторів на будівельних майданчиках, цей розділ використовуватиме програмне забезпечення для моделювання електроенергетичних систем PowerFactory для проведення експериментів з моделювання захисту заземлення трансформаторів. Спочатку в програмному забезпеченні для моделювання створюється модель електричної системи будівлі, яка включає трансформатори, високі і низькі напівпровідники, навантаження та інше обладнання. Таблиця 1 представляє модель та параметри експериментального трансформатора.

Специфічна структура трансформатора показана на рисунку 1.

Потім були проведено симуляційні експерименти з захисту від заземлення трансформатора, використовуючи три різних методи заземлення: заземлення нейтральної точки з низькою опором, заземлення нейтральної точки з високою опором і заземлення нейтральної точки з дугогасним котушком. При встановленні методів заземлення, для методу заземлення нейтральної точки з низькою опором був обраний резистор з невеликим значенням опору, а саме 0,5 Ом, щоб смоделювати ефект заземлення з низькою опором; для методу заземлення нейтральної точки з високою опором був обраний резистор з більшим значенням опору, а саме 10 Ом, щоб смоделювати характеристики заземлення з високою опором.

Під час експерименту було смодельовано рівні заземлюючого струму трансформатора при однофазних замиканнях на землю. Конкретне місце аварії було встановлено на середині одного фазного проводу на нижньому напругу трансформатора, а опір аварії було встановлено на 100 Ом, щоб смоделювати опір заземлення під час аварії заземлення. У процесі моделювання аварії була використана система збору даних з високою частотою дискретизації для запису даних заземлюючого струму, з частотою зразкування 1000 разів на секунду, щоб забезпечити вловлення дрібних змін заземлюючого струму.

Окрім запису значення заземлюючого струму в момент виникнення аварії, було встановлено кілька часових точок, включаючи 0,1 с, 0,5 с, 1 с, 5 с і 10 с після виникнення аварії, щоб спостерігати за змінами заземлюючого струму в різні часові моменти. Щоб уникнути випадковості в результаті експерименту, дані заземлюючого струму були записані 10 разів, а середнє значення було взято як остаточний результат експерименту. Рисунок 2 надає порівняння ефективності захисту від заземлення трансформатора за різних методів заземлення.

Як показано на рисунку 2, симуляційний аналіз порівняв характеристики заземлюючого струму трансформаторів при однофазних аваріях для методів заземлення нейтральної точки з низькою опором, високою опором і дугогасним котушком. Результати показують, що при однофазній аварії заземлення трансформатора, заземлюючий струм при методі заземлення нейтральної точки з низькою опором значно вищий, ніж при методах заземлення нейтральної точки з високою опором і дугогасним котушком.

За розробленої технології захисту від заземлення, середній заземлюючий струм трансформатора становив 70,11 А, що на 43,44 А і 21,62 А відповідно більше, ніж у контрольних групах технологій. Це допомагає знизити інтенсивність дуги в точці аварії і прискорити самовідновлювальні здібності аварії. Тому розроблена технологія захисту від заземлення є прийнятною і надійною, придатною для практичного застосування при однофазних аваріях заземлення трансформаторів, ефективно захищаючи безпеку роботи трансформаторів на будівельних майданчиках.

4. Висновки

Технологія захисту від заземлення трансформаторів на будівництві запропоновує схему захисту від надмірного нульового струму на основі методу заземлення нейтральної точки з низькою опором. Через порівняльні експерименти було перевірено перевагу розробленої технології захисту від заземлення в основному захисті для однофазних аварій трансформатора. Хоча досягнуті деякі наукові досягнення, є певні обмеження. Наприклад, експериментальні умови і зразки даних можуть не бути достатньо повними, що вимагає подальшої перевірки універсальності висновків.

Майбутні дослідження можуть бути зосереджені на таких напрямках: по-перше, розширення діапазону експериментів і збільшення зразків даних для покращення точності і універсальності висновків; по-друге, глибинне вивчення інших схем і технологій захисту для виявлення більш ефективних і надійних методів захисту від заземлення трансформаторів; нарешті, розробка високопродуктивних пристроїв і систем захисту в поєднанні з практичними інженерними застосуваннями.